Raspberry Pi 64bitモードでリアルタイムOS(TOPPERS/FMP)を動かす

リアルタイムOSをRaspberry Pi 3の64bitモード向けに移植した

リアルタイムOSは，TOPPERS/FMPカーネル (https://www.toppers.jp) を使用した．
Zynq Cortex-A53 AArch64向けパッケージをベースに，Raspberry Pi 3 Cortex-A53 AArch64向けに移植した．

ソースコードは以下に置いてある．
https://github.com/YujiToshinaga/RPi64Toppers

概要

• TOPPERS/FMPカーネルを移植 (https://www.toppers.jp)
• Raspberry Pi 3のARMv8 AArch64モードで動作
• 4コアでマルチコア動作
• キャッシュ，MMUはON
• 各コアのARM Generic Timerを使用
• Raspberry PiのMini UARTを使用
• 例外レベル3(EL3)でブートし，例外レベル1ノンセキュア(EL1NS)でカーネル動作
• 割込み優先度のハードウェア機能が無いためソフトウェアで疑似的に再現

QEMU(エミュレータ）を用いた実機レスの動作も可能である．
https://qiita.com/toshinaga/items/1af5948b45d62cc20509

デバッグ用途向けに実行ファイルをローダするツールも提供している．
https://qiita.com/toshinaga/items/4b38a2e21f559d273f09

制限事項

• プロセッサ間割込み，タスクマイグレーション等のコア間処理が動作せず
  なぜかAArch64モードでコア間割込みを起こせない・・・ （2017/09/11解決済み）
• 割込み優先度の概念は未実装 （2017/09/11実装済み）

必要な機材

• Raspberry Pi 3 + 電源

• microSDカード + カードリーダー
  FAT32フォーマットされたmicroSDカードを用意する．
  数十MB程度の空きがあれば十分である．

• USBシリアル変換ケーブル
  シリアルコンソールで通信するために使用する．
  TTL-232R-3V3を使用した．

• PC（Windows/Linuxどちらでも可）
  ビルド，および動作に使用する．

開発環境の構築

• コンパイラ
  以下からフリーのARMv8 AArch64用コンパイラを入手する．
  https://www.linaro.org/downloads/
  Versionはgcc-linaro-6.3.1-2017.02-xxx_aarch64-elfを使用した．
  xxxはPC環境によって適切なものを選択する．
  ダウンロードして適当な場所に展開したら以下にpathに通す．
  <解凍したディレクトリ>/gcc-linaro-6.3.1-2017.02-xxx_aarch64-elf/bin

• コンフィギュレータ
  以下からコンフィギュレータを入手する．
  https://www.toppers.jp/cfg-download.html

• ターミナルアプリ
  シリアルコンソールで通信するためにTera Term，GTKTermなどをインストールしておく．

• その他ツール
  おそらく以下パッケージが必要となる．
  make, perl, git, gcc-core, gcc-g++

ビルド

リポジトリを取得してfmp.binをビルドする．

git clone https://github.com/YujiToshinaga/RPi64Toppers.git
cd RPi64Toppers/fmp
mkdir -p cfg/cfg
mv <コンフィギュレータを解凍したディレクトリ>/cfg cfg/cfg
chmod 755 cfg/cfg/cfg
mkdir build
cd build
perl ../configure -T rpi_arm64_gcc
make fmp.bin

動作準備

SDカードの準備

FAT32フォーマットされたSDカード直下に以下の4ファイルを置いてRaspberry Piに挿す．

• bootcode.bin, start.elf
  以下からbootcode.binとstart.elfをダウンロードする．
  https://github.com/raspberrypi/firmware/tree/master/boot

• config.txt
  リポジトリのRPi64Toppers/fmp/targets/rpi_arm64_gcc/config.txtを使用する．

• fmp.bin
  ビルドしたfmp.binを使用する．

シリアルコンソールの接続

Raspberry PiのGPIO14(TXD1), GPIO15(RXD1), GroundをそれぞれUSB-シリアル変換ケーブルのRXD，TXD，Groundと接続する．

Raspberry Piのピン配置
https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/gpio-plus-and-raspi2/README.md

TTL-232R-3V3を使用する場合

RPiのピン	結線	TTL-232R-3V3のピン
GPIO14(TXD1)	-	Yellow(RXD)
GPIO15(RXD1)	-	Orange(TXD)
Ground	-	Ground

PCとUSB-シリアル変換ケーブルを接続し，ターミナルアプリからシリアルコンソールを開く．
ボーレートは115200bpsを設定する．

起動

Raspberry Piの電源を入れる．